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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Gewinnung von kohlenstoffhaltigen Substanzen, insbesondere Bitumen, aus Ölsand.
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Große Teile der weltweiten Ölreserven liegen in Form von Ölsand vor. Unter Ölsand versteht man eine Mischung aus Gestein, Ton, Sand, Wasser und Bitumen oder anderer Schwerölen. Nachfolgend soll stellvertretend für Schwer-, Schwerstöle oder allgemein langkettige Kohlenwasserstoffe lediglich von Bitumen gesprochen werden, welche typischerweise mit einer Viskosität ??? von 5° bis 15° lagerstättenmäßig vorkommen. Durch entsprechende Verfahrenschritte kann das Bitumen in synthetisches Rohöl umgewandelt werden.
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Ölsandvorkommen werden, wenn sie in Erdschichten geringer Tiefe liegen bevorzugt im Tagebau abgebaut. Vielfach liegen Ölsandvorkommen aber in tieferen Erdschichten, die dem Tagebau nicht zugänglich sind bzw. deren Abbau im Tagebau unwirtschaftlich wäre vor. Typischerweise werden Ölsandvorkommen ab Tiefen von etwa 60 m mit sogenannten In-Situ-Verfahren abgebaut. Da bei diesen Verfahren der Abbau der Deckschicht, welche über dem Ölsandvorkommen liegt, nicht notwendig ist. Das am weitverbreiteste In-Situ-Verfahren ist das Steam Assisted Gravity Drainage (SAGD). Beim SAGD-Verfahren wird das im Erdreich in einer Lagerstätte vorliegende Bitumen durch Heißdampf erhitzt. Durch die Hitzeinwirkung werden die langkettigen Kohlenwasserstoffe des hochviskosen Bitumens aufgespaltet. Die Erwärmung des Ölsandes führen zu einer Verringerung der Viskosität des Bitumens, welches dadurch fließfähig wird und konventionell aus der Lagerstätte abgepumpt werden kann.
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Die Vorrichtung für das SAGD-Verfahren umfasst mindestens eine Injektionsrohrleitung zum Zuführen des heißen Dampfes in die Lagerstätte und eine Produktionsrohrleitung, durch welche das flüssige Bitumen aus der Lagerstätte an die Erdoberfläche gefördert werden kann. Die Injektionsrohrleitung sowie die Produktionsrohrleitung werden im Wesentlichen parallel zueinander und horizontal übereinander verlaufend innerhalb der Lagerstätte verlegt. Die Injektionsrohrleitung und die Produktionsrohrleitung weisen üblicherweise einen Abstand von etwa 5 m bis 10 m in vertikaler Richtung zueinander auf. In horizontaler Richtung erstrecken sich die Rohre innerhalb der Lagerstätte auf einer Länge zwischen mehreren 100 m und wenigen Kilometern. Die Injektionsrohrleitung befindet sich typischerweise oberhalb der Produktionsrohrleitung. Durch die Erwärmung und die Herabsetzung der Viskosität des Bitumens fließt das Bitumen aufgrund der Schwerkraft nach unten und damit zur Produktionsrohrleitung hin und kann dort auf einfache Weise abgepumpt und an die Erdoberfläche gefördert werden. Die Förderung kann entweder mit Anhebeölpumpen oder durch Einbringen eines Überdrucks in der Lagerstätte erzielt werden. Die Einbringung von Überdruck hat jedoch den wesentlichen Nachteil, dass es in der Umgebung der Lagerstätte zu Verwerfung an der Erdoberfläche (Blowout) kommen kann. Insbesondere dann, wenn die Erdschicht oberhalb der Lagerstätte von geringer Dichte ist. Aus diesem Grund wird üblicherweise der Dampfdruck vor Einleitung in die Lagerstätte mittels einer Drossel oder eines Drosselventils auf einen Druck reduziert, welcher geringer ist als der Gesteinsdruck im Bereich der Lagerstätte. Das Drosselventil ist dabei zwischen dem Dampferzeuger und der Injektionsrohrleitung angeordnet. Da der Dampfdruck ungenutzt im Drosselventil abgebaut wird, ist das Verfahren wenig effektiv.
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Aus diesem Grund wird in der nicht vor veröffentlichten
deutschen Patentanmeldung 10 2012 000 092.8 mit dem Titel „Vorrichtung und Verfahren zur Gewinnung von kohlenstoffhaltigen Substanzen aus Ölsanden” vorgeschlagen, zwischen dem Dampferzeuger und der Injektionsrohrleitung wenigstens eine Dampfturbine anzuordnen. Durch die Anordnung der Dampfturbinen zwischen dem Dampferzeuger und der Injektionsrohrleitung kann der Druckabbau, welcher üblicherweise ungenutzt über das Drosselventil erfolgt, zur Energierückgewinnung benutzt werden. Hierzu ist die Dampfturbine vorzugsweise an einen Generator zur Stromerzeugung angeschlossen. Ein weiteres gebräuchliches In-Situ-Verfahren ist das Elektro Magnetic Gravity Drainage (EMGD). Beim EMGD-Verfahren erfolgt die Erwärmung der Lagerstätte mit einem elektrischen/elektromagnetischen Heizverfahren, bei dem insbesondere eine induktive Beheizung erfolgt. Das EMGD-Verfahren ist in der
deutschen Patentanmeldung 10 2007 040 605.5 mit dem Titel „Vorrichtung zur In-Situ-Förderung von Bitumen oder Schweröl” der Anmelderin offenbart. Auch das EMGD-Verfahren ist mit einem großen Energieaufwand verbunden.
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Sowohl das SAGD-Verfahren als auch das EMGD-Verfahren haben spezifische Vor- und Nachteile. Das SAGD-Verfahren ermöglich die schnelle Erwärmung der Lagerstätte und die schnelle Herabsetzung der Viskosität des Bitumen wodurch ein schneller Abbau aus der Lagerstätte erfolgen kann. Nimmt der Anteil des Bitumen im Ölsand ab, wird das SAGD-Verfahren jedoch zunehmend unwirtschaftlicher. Das EMGD-Verfahren ermöglicht auch den Abbau von kohlenstoffhaltiger Substanzen aus der Lagerstätte deren Anteil im Ölsand nur gering ist und ermöglicht so eine größere Ausbeute. Allerdings benötigt das EMGD-Verfahren eine deutlich längere Zeit um die Lagerstätte zu erwärmen.
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Ausgehend von dem zuvor beschriebenen Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Gewinnung von kohlenstoffhaltigen Substanzen, insbesondere Bitumen, aus Ölsandlagerstätten bereitzustellen, die die spezifischen Vorteile des SAGD- und des EMGD-Verfahrens berücksichtigt. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Gewinnung von kohlenstoffhaltigen Substanzen, insbesondere Bitumen, aus Öllagerstätten mit einer solchen Vorrichtung aufzuzeigen.
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Die Erfindung wird hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 2 gelöst.
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Ausgestaltungen und weitere Vorteile der Erfindung, die einzeln oder in Kombination einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gewinnung von kohlenstoffhaltigen Substanzen, insbesondere Bitumen, aus Ölsandlagerstätten, wobei jede Lagerstätte in Felder aufgeteilt ist und die einzelnen Felder sowohl mittels eines Steam Assistant Gravity Drainage Verfahren (SAGD) als auch mittels eines Magnetic Gravity Drainage Verfahren (EMGD) beheizbar sind, um die Viskosität des Bitumens zu verringern und das Bitumen fließfähig und damit förderbar zu machen, zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorrichtung eine Schaltung umfasst, mittels der die Beheizung der Felder entweder ausschließlich durch das SAGD-Verfahren, ausschließlich durch das EMGD-Verfahren oder gleichzeitig durch das SAGD-Verfahren und durch das EMGD-Verfahren erfolgen kann.
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Bislang werden Ölsandlagerstätten entweder mit dem SAGD- oder mit dem EMGD-Verfahren abgebaut. Im Stand der Technik sind auch Anlagen beschrieben, bei denen zusätzlich zum SAGD-Verfahren induktive Beheizungen zum Einsatz gelangen. Es besteht bei den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik jedoch nicht die Möglichkeit, während des Abbauprozesses zwischen den einzelnen Verfahren auszuwählen. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, welche eine Schaltung umfasst, mittels der die Beheizung der Felder entweder ausschließlich durch das SAGD-Verfahren, ausschließlich durch das EMGD-Verfahren oder gleichzeitig durch das SAGD-Verfahren und durch das EMGD-Verfahren erfolgen kann, wird es erstmals möglich, das jeweils am geeignetsten Verfahren zu wählen. Zu Beginn des Abbaus liegt ein hoher Gehalt von Bitumen im Ölsand vor. Um die Lagerstelle schnell zu erwärmen und einen schnellen Abbau zu gewährleisten eignet sich insbesondere das SAGD-Verfahren. Mit dem SAGD-Verfahren erreicht man allerdings nicht alle Bereich in der Lagerstätte. Das EMGD-Verfahren ermöglicht hier eine gleichmäßigere Erwärmung. Aus diesem Grund ist es zu Beginn des Abbauvorgangs sinnvoll das SAGD-Verfahren gleichzeitig zum EMGD-Verfahren einzusetzen. Sinkt der Bitumenanteil in der Lagerstätte mit der Zeit, so wird das SAGD-Verfahren nach und nach unwirtschaftlicher und stößt irgendwann an seine Grenzen. Um das noch vorhandene Bitumen bzw. die kohlenstoffhaltigen Substanzen aus der Lagerstätte zu gewinnen, eignen sich nun ausschließlich das EMGD-Verfahren. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das SAGD-Verfahren abgeschaltet und der Abbau ausschließlich durch das EMGD-Verfahren betrieben werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung von kohlenstoffhaltigen Substanzen, insbesondere Bitumen, aus Ölsandlagerstätten mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
- – Beheizen einzelner Felder über einen ersten Zeitraum mittels SAGD-Verfahren oder gleichzeitiges Beheizen mittels SAGD-Verfahren und EMGD-Verfahren;
- – Beheizen einzelnen Felder über einen zweiten Zeitraum ausschließlich mittels ENGD-Verfahren;
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Während des ersten früheren Zeitraums ist der Bitumengehalt im Ölsand hoch, so dass sich sowohl das SAGD-Verfahren als auch das EMGD-Verfahren zum Gewinnen des Bitumens aus der Ölsandlagerstätte eignet. Somit können entweder das SAGD- und das EMGD-Verfahren gleichzeitig und parallel zueinander betrieben werden, wodurch sich eine hohe Förderrate ergibt oder es kann ausschließlich das SAGD-Verfahren eingesetzt werden. Zu einem zweiten späteren Zeitpunkt ist der Bitumenanteil in der Lagerstätte soweit gesunken, dass sich der Einsatz des SAGD-Verfahrens wirtschaftlich nicht mehr lohnt und somit ausschließlich das EMGD-Verfahren zum Einsatz kommt. Mittels des EMGD-Verfahrens können weitere Bitumenvorkommen aus dem Ölsand gewonnen werden.
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Der erste Zeitraum erstreckt sich üblicherweise über einen Zeitraum von 4 bis 5 Jahren. Nach dieser Zeit ist der Bitumengehalt im Ölsand soweit gesunken, dass eine wirtschaftliche Förderung mittels SAGD-Verfahren nicht mehr sinnvoll ist. Im zweiten Zeitraum der etwa 5 bis 6 Jahre beträgt, erfolgt dann die Gewinnung des Bitumen aus dem Ölsand ausschließlich mit dem EMGD-Verfahren.
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Ob das SAGD-Verfahren und das EMGD-Verfahren mittels zwei getrennter Anlagen oder durch eine kombinierte Anlage durchgeführt wird, bei denen beispielsweise eine Dampfturbine gleichzeitig einen Generator antreibt, welcher den Strom für das EMGD-Verfahren erzeugt, spielt für den Gegenstand der vorliegenden Erfindung keine Rolle. Grundsätzlich können sowohl zwei getrennte Anlagen aufgebaut sein, die miteinander über die erfindungsgemäße Schaltung verbunden sind, als auch eine kombinierte Anlage vorhanden sein, die durch eine geeignete Schaltung zwischen den einzelnen Verfahren schaltbar ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend in 1 erläutert.
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1 zeigt einen schematischen und vereinfachten Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung. 1 zeigt eine Lagerstätte 14 für kohlenstoffhaltige Substanzen, insbesondere Bitumen. Zur Gewinnung der kohlenstoffhaltigen Substanzen aus der Lagerstätte kann das SAGD- und das EMGD-Verfahren verwendet werden. Die Lagerstätte 14 ist in einzelne Felder 1 bis 12 unterteilt, die parallel oder nacheinander ausgebeutet werden. Jedes einzelne Feld weißt eine Vorrichtung zur Gewinnung der kohlenstoffhaltigen Substanzen mittels SAGD- und EMGD-Verfahren auf. Ob die Beheizung der einzelnen Felder 1 bis 12 durch das SAGD-Verfahren, durch das EMGD-Verfahren oder gleichzeitig durch das SAGD-Verfahren und durch das EMGD-Verfahren erfolgt, wird durch die Schaltung 13 festgelegt. Je nach Schaltstellung der Schaltung 13, werden die einzelnen Felder 1 bis 12 ausschließlich durch das SAGD-Verfahren, das EMGD-Verfahren oder gleichzeitig durch beide Verfahren beheizt. Durch die Beheizung der einzelnen Felder 1–12 wird die kohlenstoffhaltige Substanz erwärmt, wodurch die langkettigen Kohlenstoffketten aufgespaltet werden und die Viskosität reduziert wird. Hierdurch wird das Bitumen fließfähig und kann aus der Lagerstätte bzw. aus den einzelnen Feldern, beispielsweise mit einfachen Anhebeölpumpen gefördert werden.
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Während eines ersten Zeitraums von etwa 4 bis 5 Jahren erfolgt die Beheizung der Felder 1 bis 4 zunächst mittels SAGD-Verfahren und gleichzeitig mittels EMGD-Verfahren. Hierdurch wird eine schnelle Aufheizung der Lagerstätte erzielt und eine schnelle Ausbeute erreicht. Nach einem Zeitraum von 4 bis 5 Jahren nimmt der Bitumengehalt in der Lagerstätte soweit ab, dass eine Förderung mittels SAGD-Verfahren unwirtschaftlich wird. Ab diesem Zeitpunkt wird über die Schaltung 13 die Beheizung mittels SAGD-Verfahren abgeschaltet, so dass lediglich eine Beheizung mittels EMGD-Verfahren erfolgt. Der Abbau des Bitumen in den Feldern 5–12 erfolgt analog. Durch die induktive Beheizung über einen zweiten Zeitraum, der etwa 5 bis 6 Jahre beträgt, können auch noch geringe Bitumenanteile aus der Lagerstätte gefördert werden. Nach diesem Zeitpunkt ist eine wirtschaftliche Förderung von Bitumen aus der Lagerstätte nun nicht mehr sinnvoll und die einzelnen Felder werden nicht weiter beheizt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012000092 [0005]
- DE 102007040605 [0005]
